21世紀海上絲綢之路視域下海域的海洋環(huán)境特征研究

21世紀海上絲綢之路視域下海域的海洋環(huán)境特征研究

1海洋風候研究21世紀海上絲綢之路以中國泉州為起點，主要涉及南海-北印度洋，以及沿線許多國家。該海域是全球重要的海上通道之一,也是我亞丁灣護航的必經(jīng)之地,印度洋更是處于世界海權體系的中心地位,其“貿(mào)易通道”和“石油航線”是許多國家所依賴的“戰(zhàn)略生命線”,戰(zhàn)略地位不言而喻鄭崇偉等此外,鄭崇偉等張磊等李培等前人對南海、北印度洋的風候特征做過很大貢獻,但是由于受到資料、分析技術等諸多因素的限制,早期的研究在空間分辨率、系統(tǒng)性方面還有很大的改進潛力。空間分辨率偏低會將一些重要的海域遺漏,極值風速、陣風系數(shù)沒有計算等,這些缺陷意味著不能很好地為海洋開發(fā)提供參考。本文利用來自歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)、近36a(1979-2014年)、高空間分辨率的海表風場資料(ERA-interim風場資料)、陣風資料,綜合考慮風速風向的季節(jié)特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數(shù)、海表風速的長期變化趨勢等,對南海—北印度洋的風候特征展開精細化、系統(tǒng)性研究,期望可以為航海、海洋工程、海洋能開發(fā)和防災減災等提供科學依據(jù),為21世紀海上絲綢之路建設盡綿薄之力。2重要節(jié)點的分區(qū)分布利用來自ECMWF的風場資料,包括平均風和陣風資料,系統(tǒng)性、精細化地統(tǒng)計分析了21世紀海上絲綢之路涉及海域的風候特征。此外,還重點分析了臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛(wèi)灘、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角、達累斯薩拉姆一些重要節(jié)點的(強)風向頻率,重要節(jié)點分布圖見圖1。平均風和陣風資料的時間分辨率都為6h,空間分辨率為0.125°×0.125°,空間范圍為:90°S—90°N,180°W—180°E,時間范圍從1979年1月1日00∶00時至今。該數(shù)據(jù)具有較高的可信度,在國內外被廣泛運用與風、浪特征分析3風候統(tǒng)計分析利用來自ECMWF的ERA-interim風場資料、陣風資料,統(tǒng)計分析了近36a期間海上絲綢之路涉及海域的風候特征,主要包括:不同季節(jié)的風速風向特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數(shù)、海表風速的長期變化趨勢等。3.1南?！１盹L場的季節(jié)特征利用近36a的ECMWF的ERA-interim風場資料,分別以2月、5月、8月和11月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月,統(tǒng)計海上絲綢之路涉及海域在各個季節(jié)的風速、風向特征(圖2)。2月,冬季風盛行,南海—北印度洋大部分海域以偏東北風為主。值得注意的是,孟加拉灣北部近海的風向為偏西北向、阿拉伯海北部近海為偏西。從風速大小來看,南海的冬季風強度明顯高于北印度洋,存在兩個顯著的大風中心:呂宋海峽、中南半島東南海域(即傳統(tǒng)的南海大風區(qū));北印度洋大部分海域的風速在5m/s之內,相對大值區(qū)分布于索馬里附近海域,在7m/s左右,等值線呈NE-SW向。5月:北印度洋的西南季風已經(jīng)逐漸盛行,大部分海域的風向都是SW向;風速存在兩個相對大值區(qū):索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域;這個季節(jié)孟加拉灣的平均風速大于阿拉伯海。在南海,季風過渡現(xiàn)象比較明顯,17°N以南海域已經(jīng)轉換為西南季風,17°N以北則屬于E-EN風。8月,強勁的西南季風已經(jīng)盛行,整個南海—北印度洋的風向以西南向為主導。孟加拉灣大部分海域的平均風速在7m/s以上,阿拉伯海整體在8m/s以上,尤其是索馬里附近大范圍海域的平均風速可達6級以上。南海的西南季風強度明顯低于北印度洋,相對大值中心分布于傳統(tǒng)的南海大風區(qū),平均風速在7m/s以上。11月,傳統(tǒng)的觀點認為該月處于季風過渡季節(jié),對比圖2b和圖2d可以明顯看出,11月的季風過渡現(xiàn)象并沒有5月明顯,甚至可以認為,西南季風向東北季風轉換已經(jīng)完成,整個南海—北印度洋都以東北風為主導,尤其以南海的東北風較為強勁,10°N以北的平均風速在8m/s以上。北印度洋的平均風速相對低于南海,大部分海域在6m/s以內。3.2月不同海域的風向頻率風向頻率尤其是強風向的頻率,是航海、橋梁設計、風能開發(fā)等都極為關注的要素。本文在此利用近36a、逐6h的ERA-interim風場資料,統(tǒng)計分析了海上絲綢之路涉及的一些海域的(強)風向頻率,制作了風玫瑰圖(各個風向、不同等級風速出現(xiàn)的頻率)(圖3和圖4)。關注站點主要包括:臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛(wèi)灘(位于中國南沙)、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角和達累斯薩拉姆。2月,在東北季風的影響下,大部分海域的風向頻率、強風向頻率都以偏NE向為主,有差異的是:吉大港(N-NW向)、瓜達爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向),結果與圖2(a)吻合。需要引起重視的有:臺灣海峽NE向的強風頻率(10~12m/s出現(xiàn)頻率約15%,12~14m/s出現(xiàn)頻率約12%)、北部灣NNE向的強風頻率(10~12m/s出現(xiàn)頻率約13%)、西沙海域NE向的強風頻率(10~12m/s出現(xiàn)頻率約11%),其余站點則謹慎樂觀。8月,臺灣海峽、北部灣、西沙海域、瓜達爾港、哈豐角以SSW向為主導;馬六甲海峽、吉大港以S向為主;迪戈加西亞、達累斯薩拉姆以SE-SSE向為主;科摩林角以WNW-W向為主;西衛(wèi)灘以WSW為主;霍爾木茲海峽則是從WSW-SE均勻分布。需要引起重視的是:哈豐角的強風非常明顯,12~13m/s的SSW風出現(xiàn)頻率高達25%,13~14m/s的SSW風出現(xiàn)頻率更是高達30%,14~15m/s的SSW風出現(xiàn)頻率高達13%,這是由于索馬里海域強勁的西南季風造成的,與圖2(c)吻合。3.3級以上大風頻率大風頻率密切關系到航海安全、海上施工等6級以上大風頻率:由圖5可見,秋冬兩季的北印度洋、春季的南海大風頻率都在5%以內。2月,南海冬季風較為強勁,存在兩個顯著的大值區(qū):臺灣島周邊海域、傳統(tǒng)的南海大風區(qū),在20%以上。5月,南?！庇《妊蟮拇箫L頻率整體偏低,在西南季風的影響下,索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域為相對大值區(qū)。8月,在強勁西南季風的影響下,阿拉伯海大部分海域的大風頻率在40%以上,索馬里附近大范圍海域更是高達90%以上;雖然西南季風對孟加拉灣和南海的影響也比較明顯,但帶來的6級以上大風頻率并不高。11月,6級以上大風的高頻海域主要分布于南海北部海域,大值區(qū)可達40%以上。6級以上陣風頻率見圖6:2月,整個南海基本在25%以上,大值區(qū)更是高達55%以上,此外,波斯灣、紅海、索馬里附近海域6級以上陣風出現(xiàn)頻率也較為明顯。5月,南海6級以上陣風出現(xiàn)頻率很低;孟加拉灣大部分海域、阿拉伯海西部海域則出現(xiàn)頻率較高,在20%以上。8月,阿拉伯海、孟加拉灣6級以上陣風出現(xiàn)頻率非常高,阿拉伯海大部分海域在90%以上,孟加拉灣大部分海域在60%以上;南海相對偏低,在40%左右。11月,北印度洋6級以上陣風出現(xiàn)頻率整體較低,基本在10%以內;南海中北部出現(xiàn)頻率則較高,在40%以上,大值中心(呂宋海峽西部海域)可達80%以上。本文在此只是討論了6級以上大風頻率和陣風頻率的季節(jié)特征,在未來的工作中,還需要對大風頻率和陣風頻率的長期變化趨勢展開研究,為防災減災、海洋工程的中長期規(guī)劃提供依據(jù)。3.4海表風速的陣風系數(shù)在通常的數(shù)值預報產(chǎn)品中,預報風速往往只是顯示平均風,而在實際的航海、海洋工程中,陣風的影響是比較大的,同時也是兵器研究、靶場試驗很關注的問題對比圖7(a)和圖7(b)不難發(fā)現(xiàn),在北印度洋,JJA期間的陣風系數(shù)明顯大于DJF期間,大值區(qū)的范圍也更廣,南海則相反。DJF期間,南海中北部大部分海域(除北部灣、泰國灣)的陣風系數(shù)在1.3以上;在北印度洋,僅孟加拉灣西部一小范圍海域、索馬里近海小范圍海域的陣風系數(shù)相對偏大,分別為1.2~1.3、1.2~1.4,其余大部分海域的陣風系數(shù)在1.2以內。JJA期間,北印度洋海表風速的陣性特征非常明顯,阿拉伯海和孟加拉灣大部分海域的陣風系數(shù)在1.3以上,索馬里附近海域更是高達1.8以上;整個南海的陣風系數(shù)基本都在1.2以內。3.5海表風速的變化海表風速的長期變化趨勢與海上風能資源開發(fā)、研究全球氣候變化密切相關,將近36a、逐6h的海表風速處理稱為逐月平均的數(shù)據(jù),即1979年1月至2014年12月432個月的海表風速數(shù)據(jù),采用鄭崇偉等4南?！Y論本文利用來自ECMWF、近36a、逐6h、高空間分辨率的ERA-interim海表10m風場資料、陣風資料,綜合考慮風速風向的季節(jié)特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數(shù)、海表風速的長期變化趨勢等,系統(tǒng)性、精細化地統(tǒng)計分析了21世紀海上絲綢之路涉及海域的風候特征,得到如下主要結論。(1)2月,南海盛行東北風,北印度洋盛行N-NE風;冬季風對南海的影響明顯強于對北印度洋的影響。5月,南海17°N以南、北印度洋已經(jīng)完成由東北風向西南風的轉變;南海17°N以北處于季風過渡期。8月,阿拉伯海的西南季風最為強勁,索馬里海域的平均風速可達6級以上;孟加拉灣、南海的強度次之。11月,傳統(tǒng)的觀點認為該月處于季風過渡期,本文發(fā)現(xiàn)該月西南季風向東北季風的轉換已經(jīng)完成,整個南?！庇《妊蠖家詵|北風為主導,南海的東北風較為強勁。(2)2月,大部分海域的(強)風向頻率以偏東北向為主;有差異的是吉大港(N-NW向)、瓜達爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向)。需要引起重視的有:臺灣海峽NE向的強風(10~12m/s出現(xiàn)頻率約15%,12~14m/s出現(xiàn)頻率約12%)、北部灣NNE向的強風(10~12m/s出現(xiàn)頻率約13%)、西沙海域NE向的強風(10~12m/s出現(xiàn)頻率約11%)。8月,大部分海域以偏SW、偏S向風為主,科摩林角以WNW-W向為主。需要引起重視的是:哈豐角的強風,12~13m/s的SSW風出現(xiàn)頻率高達25%,13~14m/s的SSW風出現(xiàn)頻率更是高達30%,14~15m/s的SSW風出現(xiàn)頻率高達13%。(3)6級以上大風頻率:秋冬兩季的北印度洋、春季的南?！庇《妊蟮拇箫L頻率都很低,在5%以內。2月和11月,大值區(qū)分布于南海。8月,阿拉伯海的大風頻率在40%以上,索馬里附近海域更是高達90%以上。6級以上陣風頻率:2月,整個南海基本在25%以上,大值區(qū)高達55%以上。5月,南海出現(xiàn)頻率很低;孟加拉灣、阿拉伯海西部海域在20%以上。8月,阿拉伯海在90%以上,孟加拉灣在60%以上;南海在40%左右。11月,北印度洋在10%以內;南海中北部在40%以上。(4)在北印度洋,JJA期間的陣風系數(shù)明顯大于DJF期間,大值區(qū)的范圍也更廣,南海則相反。DJF期間,南海中北部大部分海域的陣風系數(shù)在1.3以上;北印度洋大部分海域